Biologia: il DNA, l'RNA, il processo di replicazione, trascrizione e traduzione, Appunti di Biologia

Scarica Biologia: il DNA, l'RNA, il processo di replicazione, trascrizione e traduzione e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! Struttura molecolare del DNA Il DNA è un polimero i cui monomeri sono detti nucleotidi, composti chimico-organici costituito da 1 molecola di desossiribosio, 1 gruppo fosfato, una base azotata tra adenina, guanina (purine), citosina e timina (piramidine). In ogni nucleotide il gruppo fosfato e la base azotata non si legano direttamente, ma attraverso lo zucchero. Per quanto riguarda la struttura del DNA, furono fondamentali le scoperte di Chargaff, chimico che nel 1950 pubblicò uno studio dal quale emerge come nel DNA di tutte specie A=T e G=C, e come dunque la quantità di purine sia uguale a quella delle piramidine (regola di Chargaff), gli studi di Rosalind Franklin e Wilkins, che grazie allo studio mediante raggi X della disposizione degli atomi del DNA riuscirono a fotografarne la struttura, rivelatasi ad elica e fortemente simmetrica. A proporre però il primo modello tridimensionale del DNA furono gli inglesi Watson e Crick, vincitori del nobel per la medicina nel 1962. Tale modello vede la molecola di DNA formata da 2 catene polipeptidiche avvolte l'una sull'altra a formare una doppia elica destrorsa, ossia oraria. Le catene sono poi anti-parallele, hanno cioè polarità opposte; gli scheletri zucchero-fosfato si trovano all'esterno della doppia elica, mentre le basi sono orientate verso l'interno; queste ultime sono poi tenute insieme da legami ad H, deboli e rotti facilmente mediante calore, e sono possibili solo due tipi di appaiamento tra esse (A-T tra esse si formano 2 legami, C-G tra esse 3 legami). In un giro completo di elica possiamo poi dire che vi sono 10 coppie di basi. La replicazione La replicazione è il processo attraverso cui vengono formate coppie identiche del DNA stesso. Si tratta di un processo semiconservativo, vale a dire che ogni filamento funziona da stampo per un nuovo filamento cosicché le due nuove molecole di DNA contengano ciascuna un filamento nuovo e uno vecchio. Per quanto riguarda il meccanismo di replicazione possiamo dire che esso si può suddividere, la fase I di preparazione e la fase II di copiatura: nella prima fase l'enzima elica determina la rottura dei legami ad H e delle interazioni idrofobiche tra i filamenti, l'enzima topoisomerasi determina lo srotolamento dei filamenti e le proteine SSB tengono aperte in modo stabile la doppia elica; nella II fase interviene la DNA polimerasi, innescata dal primer (corto filamento sintetizzato dalla RNA polimerasi), che hai il compito di unire tra loro i vari nucleotidi attraverso legami fosfodiesterici. L'allungamento dei filamenti procede in modo differente: si può parlare di filamento veloce, quando esso si allunga di continuo, senza interruzioni, e di filamento lento, il quale si allunga in modo discontinuo attraverso i frammenti di Okazaki (successivamente sintetizzati e uniti assieme dalla DNA ligasi). Meccanismi di controllo della replicazione La replicazione è il processo attraverso cui vengono formate coppie identiche del DNA stesso. Tale processo avviene con un grado di precisione elevato, grazie a 2 importanti sistemi di controllo: la selezione delle basi, meccanismo basato sul principio della complementarietà delle basi, che fa sì che la DNA polimerasi formi legami fosfodiesterici tra i nucleotidi solo se questi sono correttamente appaiati; proofreading (o correzione di bozze), sistema che prevede la rimozione di un nucleotide sbagliato e l'inserimento di quello corretto. L'azione combinata di questi due sistemi consente alla DNA polimerasi di essere molto precisa nell'inserimento delle basi: si parla di 1 errore ogni 10^7 coppie di basi aggiunte. Gli eventuali errori commessi e non immediatamente corretti viene affidata a complessi proteici che affiancano i meccanismi di controllo: il mismatch repair ha il compito di scovare gli appaiamenti scorretti sfuggiti al proofreading(Il filamento con errore viene riconosciuto in quanto esso non è ancora stato modificato tramite aggiunta di gruppi metile); il sistema di riparazione per escissione ha invece il compito di riconoscere le basi anomale o i dimeri di timina (legami tra due timine adiacenti) che si formano in seguito all'esposizione a sostanze chimiche o a raggi ultravioletti (il sistema spezza i legami fosfodiesterici ai due lati della mutazione e rilascia i nucleotidi escissi mentre il frammento mancante sarà poi sintetizzato dalla DNA polimerasi. Struttura dei genomi La struttura dei genomi varia a seconda che la cellula sia procariotica o eucariotica. Il genoma procariotico è costituito da un unico cromosoma circolare, costituito da una sola molecola di DNA, che si trova compattato a formare una struttura irregolare detta nucleoide. Inoltre il cromosoma è libero nel citoplasma e insieme a lui sono presenti anche i plasmidi, molecole di piccole dimensioni e circolari contenenti pochi geni. Il genoma eucariotico è invece più grande e diviso in molti cromosomi lineari. Durante l'interfase il materiale genetico di queste cellule si trova in una forma detta cromatina, struttura filamentosa dispersa all'interno del nucleo costituita da DNA e istoni (proteine basiche di 5 tipi H1, H2A, H2B, H3, H4, che hanno il ruolo di condensare e impacchettare il DNA). La cromatina si può dividere in due tipi: eucromatina, meno condensata e più facilmente trascritta e eterocromatina, più condensata e meno facilmente trascritta. È chiaro dunque come il genoma eucariotico sia più complesso di quello procariotico, ciò poiché gli eucarioti sono organismi più complessi e tale complessità richiede una grande quantità di proteine codificate dal DNA. In tutte le cellule eucariotiche è quindi presente una grande quantità di DNA, le cui funzioni sono tuttavia ancora sconosciute. Nelle cellule umane solo l'1,5% del genoma contiene informazioni per la sintesi delle proteine, il resto del DNA, che presenta tipi diversi di sequenze ripetute, apparentemente non svolge alcuna funzione. Livelli di spiralizzazione Il nucleo delle cellule contiene al suo interno quasi 2 m di DNA e ciò è possibile in quanto il DNA è compattato in modo da occupare il minor spazio possibile. Tale compattazione, detta spiralizzazione, è raggiunta attraverso un ripiegamento ordinato su più livelli e raggiunge il massimo grado quando è possibile vedere i cromosomi. Vi sono 4 livelli di spiralizzazione. Il primo è il nucleosoma (diametro 10 nm), unità fondamentale della cromatina, dato dal raggruppamento del DNA attorno agli istoni. Ogni nucleosoma è formato da 8 istoni, un tratto di DNA lungo 200 paia di basi di cui 146 sono avvolte attorno agli istoni, 54 servono da collegamento tra un nucleosoma e l'altro, H1 proteina istonica legata al DNA di collegamento. Il secondo livello è dato dal impacchettamento di cromosomi in fibre di 30 nm. Il terzo livello è costituito dalla fibra compattata, la quale forma una serie di anse dette domini ad ansa, successivamente si arriva al 4 livello: attraverso la spiralizzazione dei domini ad ansa hanno origine i cromosomi. Espressione genetica Con espressione genetica si intende quella branca della genetica che si occupa di studiare come sono codificate, trasportate e decodificate le informazioni contenute nel DNA. Importanti per lo sviluppo di tale scienza furono gli studi negli anni '40 di Beadle e Tatum sul fungo neurospora crassa (muffa del pane): si dimostrò una relazione diretta tra DNA e enzimi (proteine) e si ipotizzò che un gene fosse associabile a un enzima. A tale branca della biologia si interessarono anche Watson e Crick: partendo dagli studi di Beadle e Tatum, nel 1956 Crick arrivò a formulare un principio fondamentale per la biologia: il dogma centrale della biologia molecolare, secondo cui le informazioni contenute nel DNA vengono trasferite ad una particolare molecola chiamata RNA e da qui esse vengono convertite in proteine. Si tratta di un processo unidirezionale: le informazioni del DNA passano al RNA attraverso il processo di trascrizione, che avviene nel nucleo; successivamente esse divengono proteine attraverso il processo di traduzione che avviene nel citoplasma. RNA Si tratta di un polinucleotide formato da un unico filamento che presenta il ribosio come zucchero e le cui basi sono adenina e guanina (purine), citosina e uracile (piramidine). A seconda delle sue funzioni esso si divide in 3 differenti tipologie: 1. mRNA (messaggero) il quale copia le informazioni contenute nel DNA e le trasferisce nel citoplasma; esso ha struttura lineare e nel citoplasma esso viene tradotto in proteine 2. tRNA (transfer) il quale si trova nel citoplamsa e ha il compito di portare gli Aa ai ribosomi e di collocarlo nella giusta posizione; esso ha struttura tridimensionale a trifoglio; 3. rRNA (ribosomiale) il quale insieme a molte proteine forma i ribosomi, strutture fondamentali per la decifrazione del DNA. Trascrizione È il processo che prevede la copiatura del DNA per formare le varie molecole dell'RNA. Esso avviene nel nucleo e si divide in 3 fasi. inizio-> la RNA polimerasi si lega a una specifica sequenza di DNA detta promotore. Essa fornisce informazioni importanti per la trascrizione (da dove iniziare a trascrivere, quale filamento trascrivere, in che direzione procedere). La doppia elica si apre e inizia la seconda fase, detta allungamento. allungamento-> la RNA polimerasi si sposta lungo il filamento stampo (antisenso) in direzione 5'->3'; vengono aggiunti in sequenza nucleotidi complementari al filamento in modo che la successione delle basi risulti essere uguale al filamento senso 3'->5'. (! La RNA polimerasi non revisiona né corregge il proprio lavoro ma eventuali errori non costituiscono danni importanti in quanto le copie di RNA generate sono poco e hanno vita breve). terminazione-> a stabilire il momento in cui la trascrizione deve interrompersi è il terminatore, una particolare sequenza che si trova al termine del filamento da trascrivere. Il codice genetico L'mRNA è una sequenza di 4 tipi differenti di nucleotidi ed in esso sono contenute le informazioni per produrre un polipeptide costituito da una sequenza di amminoacidi. È dunque possibile passare da una sequenza di basi a una di Aa, in quanto una successione di 3 basi detta codone lungo il filamento di mRNA corrisponde a 1 Aa. Le basi si denominano tripletta. A partire da 4 tipi di basi differenti sono possibili 64 combinazioni. Poiché gli Aa sono solo 20, più triplette si associano allo stesso Aa. L'insieme di tutti i codoni costituisce il codice genetico. CARATTERISTICHE DEL CODICE GENETICO 1) il codice è a triplette (un raggruppamento di 3 nucleotidi corrisponde a un ben preciso Aa; 2) il codice NON ha segni di interpunzione e NON ha sovrapposizioni, ossia viene letto in modo continuo in modo continuo in gruppi successivi di 3 nucleotidi per volta, senza saltarne nessuno; 3) è quasi universale (praticamente identico in tutti gli organismi-> es: CUU codifica per l'Aa lucina in